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【干货】谈谈动力电池系统的绝缘配合

导读: 电动汽车的电压和电流等级都较高,车载电池包电压一般在200~600V, 电流可达几百安培。人体能承受的安全电压的大小取决于人体允许通过的电流和人体的电阻。

电动汽车的电压和电流等级都较高,车载电池包电压一般在200~600V, 电流可达几百安培。人体能承受的安全电压的大小取决于人体允许通过的电流和人体的电阻。

一.电气设备绝缘配合的重要意义

根据国家标准GB 3805—83《特低电压(ELV)限值》可知一定电压作用下,通过人体电流的大小与人体电阻有关(在有触电保护装置的情况下,人体允许通过的电流为30mA),一般在干燥、无外伤情况下人体的电阻约为2000Ω左右。因此可以得知直流电压大于60V会对人体有电击的伤害,由于电动汽车电池是一种高压,并且是一种高能量存储装置,因此在无任何防触电保护情况下,人员触及将无法存活。

由国际电工标准的可知,人体没有任何感觉的阈值是2 mA。这就要求如果人或其他物体构成动力蓄电池系统(或“高电压”电路)与地之间的外部电路,最坏的情况下泄漏电流不能超过2 mA,即人直接接触电气系统任一点的时候,流过人体的电流应当小于2 mA 才认为车辆绝缘合格。因此,在电动汽车的开发中,要注意高压电气系统的绝缘设计,严格控制绝缘电阻值,使泄漏电流在安全的范围内。

表1人体对电流的反应

谈谈动力电池系统的绝缘配合

二.电气设备的电绝缘配合

1.人员触电危害与防护措施

触电对人体的危害,主要是因电流通过人体一定路径引起的。电流通过头部会使人昏迷,电流通过脊髓会使人截瘫,电流通过中枢神经会引起中枢神经系统严重失调而导致死亡。

根据欧姆定律U=I*R可以得知当电压加在人体与绝缘电阻(包括空气和固体等电阻)构成的串联回路中,为保证人员安全只能通过增大与人体串联的绝缘电阻。例如通过增大外衣、鞋、裤等绝缘电阻,于是就出现了高压绝缘鞋、高压绝缘手套等一系列供人穿戴的防护用品如图1。

谈谈动力电池系统的绝缘配合

但是问题又来了,不可能每次要用电气设备之前都要全副武装,那样很不方便,像图2这样的场景估计也只有在工厂才能见到,如果平时也这样那大家会崩溃的。

既然可以通过增大外衣、鞋、裤等电阻增加人体电阻,那也可以把电气设备中的危险源进行绝缘处理(相当于在危险源与人体之间串联一个较大的电阻)。对于绝缘通常都是以电阻(R)的大小进行量化,根据电阻公式R=ρ*L/S(ρ材料的等效电阻率;L材料的等效长度;S材料的等效截面面积)可知,通过改变ρ、L和S的值来就能改变绝缘电阻的大小。

大家都知道空气是一种最普通、可靠、便宜的电气绝缘介质,它的绝缘电阻与空气间隙大小成正比,但是在一个限制空间的高压设备,只靠空气间隙是无法满足绝缘电阻的要求(因为空气的等效长度(L)不够,导致R变小)。

而高电阻率(ρ)的固体绝缘材料,就能满足限制空间的高压设备的绝缘电阻要求,但是与空气绝缘不同的是,固体绝缘材料是一种不可恢复的绝缘介质,在电场强度、热、潮湿等的不利因素造成固体绝缘材料电阻率(ρ)不断的减小导致绝缘电阻值变小称之为绝缘老化。比如长时间发热会造成绝缘性能的下降。那怎样才能满足电气绝缘的要求,不会使设备和人员受到损伤。

EN 60664-1(或GB/T16935)低压系统内设备的绝缘配合标准提出了绝缘配合的概念,绝缘配合统指电气设备根据其使用和环境条件来选择的电气绝缘,它由电气间隙、爬电距离以及固体绝缘组成,是对电气设备绝缘的统称。

2.电气间隙、爬电距离之间的关系

在各电器产品的国家强制标准里均涉及到“爬电距离”和“电气间隙”两个术语,从EN 60664-1(或GB/T16935)低压系统内设备的绝缘配合标准可知:电气间隙则是“两导电部件或一个导电部件与器具易触及表面的空间最短距离”。而爬电距离是“两导电部分之间,或一个导电部件与器具的易触及表面之间沿绝缘材料表面的最短距离”。它存在于两个平行的绝缘材料的连接处,它有可能存在于固体或者气体绝缘之间。

谈谈动力电池系统的绝缘配合

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